مطالعه عددی تأثیر عامل‌های هندسی بر انتقال گرمای نانو سیال آب ـ 3O2Al در یک میکروکانال

نوع مقاله: علمی-پژوهشی

نویسندگان

یاسوج، دانشگاه یاسوج، دانشکده مهندسی، گروه مهندسی شیمی

چکیده

این پژوهش به بررسی انتقال گرما و ساختار جریان، نانو سیال آب – آلومینیم اکسید در میکروکانال دو بعدی مستطیلی در جز حجمی2 %، 4 %، 6 % و 8% نانو ذره­ ها و عدد رینولدز 10 تا50 با استفاده از دینامیک سیال­ های محاسباتی (CFD) پرداخته است. مجموعه معادله­ های حاکم، پیوستگی و مومنتم و گرما به روش المان محدود با اعمال شرایط مرزی با کمک نرم افزار کامسول حل‌ شده است. عدد ناسلت محلی پیش بینی شده جریان نانو سیال آب ـ آلومینیم اکسید در عدد رینولدز 9/6 و 5% با داده‌های آزمایشگاهی تطابق خوبی دارد. نتیجه­ های شبیه ­سازی نشان دادند افزایش عدد رینولدز موجب افزایش سرعت سیال و افزایش تراکم خطوط جریان لبه تیغه و ایجاد گرداب­ های بزرگ­ تر جریان می‌شود که این پدیده موجب افزایش ناسلت می‌شود. همچنین افزایش تعداد تیغه‌ها موجب تشکیل مناطق چرخش جریان بیش ­تر می ­شود که این امر به سبب تبادل گرمای بهتر سیال با دیواره کانال و افزایش دمای خروجی میکروکانال می‌شود. به طوری که در رینولدز 40 دما خروجی سیال در میکروکانال شش تیغه 35/322 کلوین و در میکروکانال یک تیغه 9/314 کلوین می‌باشد. با افزایش ارتفاع تیغه وسعت منطقه چرخش بیش­ تر شده و در پی آن ضریب انتقال گرما افزایش می‌یابد. برای میکروکانال شش تیغه با افزایش عدد رینولدز  از 10 به 50 میزان افت فشار 15 برابر و میزان ناسلت 28 برابر می شود.  همچنین افزایش جز حجمی نانو ذره، مقدارهای متوسط دمای خروجی میکروکانال را افزایش داده و وسعت گرداب‌ها را با تأثیرگذاری بر گرانروی کاهش می‌دهد افزایش جز حجمی از 02/0 تا 1/0.برای میکروکانال تک تیغه دما را 56/0 درصد افزایش می‌یابد. ولی تأثیر فاصله
بین تیغه‌ها، بر دمای متوسط خروجی میکروکانال کم می‌باشد

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Sudarsan A.P., “Multivortex Micromixing: Novel Techniques Using Dean Flows for Passive Microfluidic Mixing”, PhD Dissertation, Texas A&M University, (2006).

[2] Ansari M.A, Kim K.Y., Anwar K., Kim S.M., A Novel Passive Micromixer Based on Unbalanced Splits and Collisions of Fluid StreamsJ Micromechanics Microengineering20(5):55007 (2010).

[3] Sohel M.R., Saidur R., Sabri M.F.M., Kamalisarvestani M., Elias M.M., Ijam A., Investigating the Heat Transfer Performance and Thermophysical Properties of Nanofluids in a Circular Micro-ChannelInt Commun Heat Mass Transf42:75-81 (2013).

[4] Kim S.-M., Mudawar I., Review of Databases and Predictive Methods for Heat Transfer in Condensing and Boiling Mini/Micro-Channel FlowsInt. J. Heat. Mass. Transf.77:627–52 (2014).

[5] Dehghan M., Mahmoudi Y., Valipour M.S., Saedodin S., Combined Conduction–Convection–Radiation Heat Transfer of Slip Flow Inside a Micro-Channel Filled with a Porous MaterialTransp. Porous Media108(2):413–36 (2015).

[6] Keepaiboon C., Wongwises S., Two-Phase Flow Patterns and Heat Transfer Characteristics of R134a Refrigerant During Flow Boiling in a Single Rectangular Micro-ChannelExp. Therm. Fluid. Sci.66:36–45 (2015).

[7] Gamrat G., Favre-Marinet M., Asendrych D., Conduction and Entrance Effects on Laminar Liquid Flow and Heat Transfer in Rectangular MicrochannelsInt. J. Heat Mass Transf.48(14):2943–54 (2005).

[8] Bar-Cohen A., Gen-3 Thermal Management Technology: Role of Microchannels and Nanostructures in an Embedded Cooling ParadigmJ. Nanotechnol. Eng. Med.4(2):20907 (2013).

[9] Colgan E.G., Furman B., Gaynes M., Graham W.S., LaBianca N.C., Magerlein J.H., Polastre R.J., Rothwell M.B., Bezama R.J., Choudhary R., Marston K.C., Toy H., Wakil J., Aziz J.A., Schmidt R.R.., A Practical Implementation of Silicon Microchannel Coolers for High Power ChipsIEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, 30(2): 218-225 (2007).

[10] Lee J., Mudawar I., Low-Temperature Two-Phase Microchannel Cooling for High-Heat-Flux Thermal Management of Defense ElectronicsComponents Packag Technol. IEEE Trans.32(2):453–65 (2009).

[11] Solovitz S.A., Stevanovic L.D., Beaupre R.A. Micro-Channel Thermal Management of High Power DevicesAppl Power Electron Conf. Expo. 2006 APEC ’06 Twenty-First Annu. IEEE”, 7 pp. (2006).

[12] Tuckerman D.B., Pease R.F.W., High-Performance Heat Sinking for VLSI, Electron Device Lett. IEEE2(5):126–9 (1981).

[13] Lee P.-S., Garimella S. V, Liu D., Investigation of Heat Transfer in Rectangular Microchannels, Int. J. Heat Mass. Transf., 48(9):1688–704 (2005).

[14] Qu W., Mala G.M., Li D., Heat Transfer for Water Flow in Trapezoidal Silicon MicrochannelsInt. J. Heat Mass Transf.43(21):3925–36 (2000).

[15] Qu W., Mudawar I. Experimental and Numerical Study of Pressure Drop and Heat Transfer in a Single-Phase Micro-Channel Heat SinkInt. J. Heat Mass Transf.45(12):2549–65 (2002).

[16] Lelea D., Nishio S., Takano K. The Experimental Research on Microtube Heat Transfer and Fluid Flow of Distilled WaterInt. J. Heat Mass Transf.47(12):2817–30 (2004).

[17] Naphon P., Khonseur O. Study on the Convective Heat Transfer and Pressure Drop in the Micro-Channel Heat SinkInt. Commun. Heat Mass Transf.36(1):39–44 (2009).

[18] Akbarinia A., Behzadmehr A. Numerical study of Laminar Mixed Convection of a Nanofluid in Horizontal Curved TubesAppl. Therm. Eng.27(8–9):1327–37 (2007).

[19] Akbarinia A., Laur R., Investigating the Diameter of Solid Particles Effects on a Laminar Nanofluid Flow in a Curved Tube Using a Two Phase ApproachInt. J. Heat Fluid Flow.30(4):706–14 (2009).

[20] Pak B.C., Cho Y.I. Hydrodynamic and Heat Transfer Study of Dispersed Fluids with Submicron metallic Oxide ParticlesExp. Heat Transf.11(2):151–70 (1998).

[21] Xuan Y., Li Q. Investigation on Convective Heat Transfer and Flow Features of Nanofluids, J. Heat Transfer., 125(1): 151–5 (2003).

[22] نوعی؛ سید حسن، حریری دیبا؛ فرزانه، نوعی؛ سید مصطفی، حسینقلی­زاده؛ نجمه، زینالی هریس؛ سعید، بررسی تجربی و عملکرد نانو سیال مس اکسید ـ استون بر بازده گرمایی یک ترمو سیفون دو فازی بسته، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، (3)32: 31 الی 38 (1392).

[23] Murshed S.M.S., Leong K.C., Yang C., Thermophysical and Eectrokinetic Properties of Nanofluids - A Critical ReviewAppl. Therm. Eng.28(17–18):2109-25 (2008).

[24] Akbarinia A. Impacts of Nanofluid Flow on Skin Friction Factor and Nusselt Number in Curved Tubes with Constant Mass FlowInt. J. Heat Fluid Flow.29(1):229-41 (2008).

[25] Nguyen C.T., Desgranges F., Galanis N., Roy G., Maré T., Boucher S., Angue Mintsa H., Viscosity Data for Al2O3–Water Nanofluid—Hysteresis: is Heat Transfer Enhancement Using Nanofluids Reliable?Int. J. Therm. Sci.47(2):103–11 (2008).

[26] Hsieh C.Y., Yang A.S., Mixing Enhancement of a Passive Micromixer by Applying Boundary Protrusion Structures, Adv. Mater. Res.74:77–80 (2009).

[27] Wu N.-T.N., Z. Micromixers—A Review., J. Micromechanics Microengineering15(2):R1 (2005).

[28] Hosseinzadeh F., Sarhaddi F., Kalhori D.M., Numerical Investigation of the Nanoparticle Volume Fraction Effect on the Flow, Heat Transfer, and Entropy Generation of the Fe3O4 Ferrofluid under a Non-Uniform Magnetic FieldStrojniški Vestnik-Journal Mech. Eng.62(9):521–33 (2016).

[29] Sheikholeslami M., Gorji-Bandpy M., Ganji D.D., Numerical Investigation of MHD Effects on Al2O3–Water Nanofluid Flow and Heat Transfer in a Semi-Annulus Enclosure Using LBMEnergy60:501–10 (2013).

[30] Hatami M., Ganji D.D. Thermal and Flow Analysis of Microchannel Heat Sink (MCHS) Cooled by Cu–Water Nanofluid Using Porous Media Approach and Least Square MethodEnergy Convers. Manag.78:347–58 (2014).

[31] Sheikholeslami M., Gorji-Bandpy M., Vajravelu K., Lattice Boltzmann Simulation of Magnetohydrodynamic Natural Convection Heat Transfer of Al2O3–Water Nanofluid in a Horizontal Cylindrical Enclosure with an Inner Triangular CylinderInt. J. Heat Mass Transf.80:16–25 (2015).

[32] Chabi A.R., Zarrinabadi S., Peyghambarzadeh S.M., Hashemabadi S.H., Salimi M., Local Convective Heat Transfer Coefficient and Friction Factor of CuO/Water Nanofluid in a Microchannel Heat SinkHeat Mass Transf., 1–11 (2016).

[33] Jang S.P., Choi S.U.S., Cooling Performance of a Microchannel Heat Sink with NanofluidsAppl. Therm. Eng.26(17–18):2457–63 (2006).

[34] Chein R., Huang G. Analysis of Microchannel Heat Sink Performance Using NanofluidsAppl. Therm. Eng., 25(17–18):3104–14 (2005).

[35] Li J., Kleinstreuer C., Thermal Performance of Nanofluid Flow in MicrochannelsInt. J. Heat Fluid Flow29(4):1221–32 (2008).

[36] Ahn S.W., The Effects of Roughness Types on Friction Factors and Heat Transfer in Roughened Rectangular DuctInt. Commun. Heat Mass Transf.28(7):933–42 (2001).

[37] Chung C.K., Wu C.-Y., Shih T.R., Wu C.F., Wu B.H., Design and Simulation of a Novel Micro-Mixer with Baffles and Side-Wall Injection into the Main Channel, “Nano/Micro Eng. Mol. Syst. 2006 NEMS ’06 1st IEEE Int. Conf.”, 721–4 (2006).

[38] ZareNezhad B., Sabzemeidani M.M., Predicting the Effect of Cell Geometry and Fluid Velocity on Pem Fuel Cell Performance by CFD SimulationJ. Chem. Technol. Metall50(2):176–82 (2015).

[39] Maı̈ga S.E.B., Nguyen C.T., Galanis N., Roy G., Heat Transfer Behaviours of Nanofluids in a Uniformly Heated TubeSuperlattices Microstruct35(3–6):543–57 (2004).

[40] Chon C.H., Kihm K.D., Lee S.P., Choi S.U.S., Empirical Correlation Finding the Role of Temperature and Particle Size for Nanofluid (Al2O3) Thermal Conductivity EnhancementAppl. Phys. Lett.87(15):(2005).

[41] Akbarinia A., Abdolzadeh M., Laur R. Critical Investigation of Heat Transfer Enhancement Using Nanofluids in Microchannels with Slip and Non-Slip Flow Regimes Appl. Therm. Eng.31(4):556–65 (2011).